Интернет вещей (Internet of Things, IoT) — это одно из самых актуальных направлений современных технологий. Сети IoT позволяют подключать к сети интернет физические устройства, такие как датчики, устройства управления, электронные приборы и другие предметы быта, которые могут обмениваться данными и управляться удаленно. Это открывает безграничные возможности для создания интеллектуальных систем, которые могут автоматизировать процессы и управлять ресурсами на основе данных и аналитики.
В настоящее время сети IoT используются во многих областях, включая умный дом, смарт-города, здравоохранение, индустрию 4.0 и транспорт. Однако, вместе с большими преимуществами сетей IoT появляются и сложности, такие как проблемы безопасности, сложность управления и стандартизации. Поэтому, для того чтобы успешно использовать сети IoT, необходимо понимать их основы, архитектуру, протоколы и вызовы.

Рассматриваемые сети имеют множество причин использования, включая возможность автоматизации процессов и оптимизации времени и затрат, улучшение управления ресурсами для экономии денег и ресурсов, обеспечение безопасности людей и имущества с помощью камер видеонаблюдения, датчиков дыма и утечек газа, а также создание новых возможностей для бизнеса путем сбора и анализа данных.

Основы сетей IoT

Существует множество протоколов и стандартов для сетей интернет-вещей, которые используются для обеспечения совместимости и синхронизации между устройствами, сетями и приложениями. Рассмотрим некоторые из протоколов, которые можно рассмотреть для построения системы мониторинга окружающей среды полигона твердотельных отходов:

Z-Wave - это проприетарный радиопротокол беспроводной связи, который используется в устройствах для управления умным домом и создания сетей IoT. Этот протокол был разработан компанией Z-Wave Alliance и поддерживает связь между устройствами на расстоянии до 100 метров в помещении и до 400 метров на открытом воздухе. Z-Wave работает на частотах 800-900 МГц в Северной Америке и 868,42 МГц в Европе, что обеспечивает более широкий диапазон покрытия и лучшую проникающую способность стен и других препятствий. Z-Wave также обеспечивает высокую степень безопасности и конфиденциальности данных, используя аппаратное шифрование AES-128.

Протокол Z-Wave используется во многих проектах для управления умным домом и умными городами, а также для обеспечения безопасности и комфорта жильцов. Некоторые примеры проектов, где используется Z-Wave:

1. Fibaro Home Center: Fibaro - это система умного дома, которая использует протокол Z-Wave для связи между устройствами. Home Center - это центральный контроллер, который позволяет управлять всеми устройствами Fibaro в доме.

2. ADT Pulse: ADT Pulse - это система безопасности для дома, которая также использует протокол Z-Wave. Она позволяет жильцам контролировать доступ, освещение и температуру в доме через интернет.

3. Heatit Z-TRM3: Heatit Z-TRM3 - это термостат на основе технологии Z-wave, предназначенный для управления теплым полом и отоплением в помещениях. Он позволяет управлять нагревательными системами с помощью смартфона или планшета через приложение и поддерживает функцию программирования температуры на разное время суток.

4. SmartThings: SmartThings - это платформа умного дома, которая также использует протокол Z-Wave. Она позволяет жильцам управлять своим умным домом через мобильное приложение и автоматизировать задачи с помощью «умных» сценариев.

5. Zipato: Zipato - это еще одна система умного дома, которая использует протокол Z-Wave. Она позволяет жильцам управлять освещением, температурой, системами безопасности и другими устройствами в доме с помощью одного центрального контроллера.

Sigfox - это сеть беспроводной связи, предназначенная для подключения устройств IoT, которые передают небольшие объемы данных на большие расстояния. Она использует уникальный протокол связи, работающий на нелицензируемых частотах, что позволяет достичь широкого охвата и низкой стоимости.

Основная идея сети Sigfox заключается в том, что устройства отправляют короткие сообщения (до 12 байт) в облако Sigfox, которое затем передает их на сервер приложений, где они обрабатываются и отображаются в интерфейсе пользователя. Таким образом, сеть позволяет передавать информацию от множества устройств, размещенных на больших расстояниях друг от друга, на центральный сервер приложений для дальнейшей обработки.

Сеть Sigfox была разработана с учетом требований промышленности, где часто требуется беспроводная связь на большие расстояния с низким энергопотреблением и надежностью. Сеть Sigfox используется в различных отраслях, включая сельское хозяйство, транспорт, логистику, здравоохранение, оборону и безопасность.

Примеры использования сети Sigfox включают отслеживание перемещения активов, мониторинг окружающей среды, управление энергопотреблением, контроль качества воздуха, датчики уровня и температуры, мониторинг состояния оборудования и прочее. Благодаря своей простоте и надежности, сеть Sigfox позволяет развивать новые решения IoT и использовать их в различных отраслях.

Некоторые из реальных проектов, использующих сеть Sigfox:

1. Автоматизация учета потребления воды - компания «Birds» использует сеть Sigfox для передачи данных о потреблении воды от датчиков, установленных на водопроводных счетчиках, на сервера управления потреблением воды.

2. Мониторинг температуры в промышленности - компания «Axible Technologies» использует сеть Sigfox для передачи данных о температуре и влажности внутри производственных помещений. Эти данные используются для оптимизации условий производства и предотвращения повреждения оборудования.

3. Система безопасности для дома - компания «Avidsen» использует сеть Sigfox для передачи данных от датчиков движения, дверей и окон, установленных в домах пользователей. Эти данные используются для мониторинга безопасности и оповещения владельцев домов в случае обнаружения незаконного проникновения.

4. Мониторинг состояния грузовиков - компания «OCEASOFT» использует сеть Sigfox для передачи данных о температуре и влажности в грузовиках, перевозящих чувствительные грузы, такие как медицинские препараты или пищевые продукты. Эти данные используются для обеспечения качества груза и предотвращения повреждения товаров.

5. Система Ubigreen одноименной компании - французский редактор облачной платформы, предоставляющий решения для управления энергопотреблением и рабочими местами для повышения производительности коммерческих зданий, промышленного оборудования и общественных зданий.

LTE-M (Long-Term Evolution for Machines) - это стандарт сотовой связи, предназначенный для подключения устройств интернета вещей (IoT). Он работает на основе сетей LTE (Long-Term Evolution), которые используются для мобильной связи.

Сеть LTE-M (LTE-MTC или LTE Cat-M1) используется во многих проектах IoT, где требуется передача данных с низким энергопотреблением и низкой задержкой. Некоторые примеры проектов, использующих сеть LTE-M:

1. Мониторинг состояния автомобилей: с помощью устройств, работающих на базе сети LTE-M, можно собирать и передавать данные о состоянии автомобилей, такие как расход топлива, уровень масла, давление в шинах, и т.д.

2. Умный дом: сеть LTE-M может использоваться для подключения устройств умного дома, таких как датчики движения, дверные замки, термостаты, освещение и т.д. Это позволяет контролировать и управлять устройствами из любой точки мира.

3. Трекинг грузов: с помощью устройств на базе LTE-M можно отслеживать перемещение грузов и получать данные о их местонахождении, температуре, влажности и других параметрах. Это позволяет повысить эффективность логистических операций и уменьшить риски потери грузов.

4. Умные сельские хозяйства: сеть LTE-M может использоваться для мониторинга погоды, почвы, влажности и других параметров, которые влияют на производство сельскохозяйственных культур. Это позволяет повысить урожайность и оптимизировать использование ресурсов.

5. Медицинские устройства: с помощью устройств, работающих на базе сети LTE-M, можно передавать медицинские данные, такие как пульс, кровяное давление, уровень кислорода в крови и т.д. Это позволяет мониторить состояние пациентов в режиме реального времени и оповещать медицинский персонал в случае необходимости.

NB-IoT (Narrowband IoT) - это низкоскоростной и низкопотребляющий стандарт для передачи данных в сетях интернета вещей (IoT). Он работает в лицензированных диапазонах частот и использует узкие полосы частот для передачи данных на большие расстояния.
Протокол NB-IoT (Narrowband IoT) используется в различных проектах связанных с интернетом вещей. Некоторые примеры:

1. «Умное» сельское хозяйство: NB-IoT используется для мониторинга почвы, воздуха и погодных условий, а также для оптимизации системы орошения. Такой подход позволяет снизить затраты на использование воды и удобрений, улучшить урожайность и снизить воздействие на окружающую среду.

2. Мониторинг состояния грузовиков: NB-IoT используется для сбора и передачи данных об оставшемся запасе топлива, местоположении и других параметрах грузовиков. Это позволяет улучшить эффективность логистики и снизить затраты на топливо.

3. Умный город: NB-IoT используется для сбора и передачи данных об уровне шума, качестве воздуха, уровне освещенности и других параметрах городской среды. Эти данные позволяют городским властям принимать решения о снижении загрязнения и повышении комфорта жизни горожан.

4. Охранная система: NB-IoT используется в устройствах для домашней и коммерческой охраны, таких как датчики движения и дверные замки. Они могут передавать сигналы тревоги и другую информацию на серверы безопасности в режиме реального времени, что позволяет оперативно реагировать на возможные угрозы.

5. Сбор данных о здоровье: NB-IoT используется в медицинских устройствах, таких как датчики сердечного ритма и мониторы сна, для сбора и передачи данных о здоровье пациентов на серверы врачей. Это позволяет врачам получать более точную информацию о состоянии пациентов и принимать более эффективные меры по лечению и профилактике болезней.

Zigbee — это стандарт беспроводной связи, который используется в маломасштабных сетях IoT, таких как умный дом. Он обеспечивает надежную передачу данных на короткие расстояния с низким энергопотреблением. Вот несколько примеров проектов, в которых используется Zigbee:

1. Philips Hue – это система управления умными лампами, которая использует протокол Zigbee для коммуникации между лампами и контроллером. Эта система позволяет пользователям контролировать цвет и яркость света, а также создавать различные настроения и сценарии освещения.

2. Amazon Echo Plus – это умный динамик с встроенным контроллером Zigbee, который может управлять умными устройствами, такими как лампы, розетки, термостаты и другие устройства, использующие протокол Zigbee.

3. Samsung SmartThings – это система управления умным домом, которая использует протоколы Zigbee и Z-Wave для коммуникации между устройствами. Система позволяет пользователям управлять освещением, термостатами, замками, камерами и другими устройствами.

4. IKEA Trådfri – это система управления умными лампами и другими устройствами, которая также использует протокол Zigbee. Система позволяет пользователям управлять освещением, создавать сценарии освещения и управлять другими устройствами, использующими протокол Zigbee.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) - это стандарт беспроводной связи для передачи данных на большие расстояния, используемый в умных городах и системах мониторинга окружающей среды.
Протокол LoRaWAN нашел применение в различных областях, включая городское планирование, сельское хозяйство, промышленность и транспорт. Некоторые из реальных проектов, использующих LoRaWAN, включают в себя:

1. «Умный город» в Амстердаме, Нидерланды - городская сеть, использующая LoRaWAN для подключения множества устройств, включая датчики температуры, уровня воды, освещения и т.д. Эти данные используются для оптимизации городских систем и повышения комфорта жизни горожан.

2. Система мониторинга уровня воды в реке Северн, Великобритания - используется сеть LoRaWAN для связи датчиков, которые измеряют уровень воды и передают данные в центральную базу данных. Это позволяет уведомлять жителей о возможных наводнениях и предпринимать меры для предотвращения ущерба.

3. Сельское хозяйство в Индии - сеть LoRaWAN используется для мониторинга и контроля растительности в рисовых полях, что позволяет сельским хозяйственным производителям оптимизировать использование удобрений и повысить урожайность.

4. Система управления энергопотреблением в зданиях во Франции - сеть LoRaWAN используется для связи датчиков, которые измеряют потребление электроэнергии и передают данные в центральную систему управления. Это позволяет снизить расходы на электроэнергию и оптимизировать энергопотребление.

5. Система контроля за температурой в холодильниках и морозильниках в Голландии - сеть LoRaWAN используется для связи датчиков, которые мониторят температуру и влажность в холодильниках и морозильниках. Это позволяет операторам магазинов быстро обнаруживать любые неисправности и предотвращать порчу продуктов.

Кроме того, существуют стандарты, которые определяют архитектуру и протоколы для взаимодействия устройств IoT, такие как стандарты Open Connectivity Foundation (OCF), Thread и AllJoyn.

Архитектура сетей Internet of Things (IoT) определяет структуру и взаимодействие между компонентами сети, включая устройства, сенсоры, актуаторы, сетевые элементы и облака. В общем случае архитектура IoT может быть разделена на три уровня:

1. Уровень устройств (Device layer) — это уровень, на котором расположены физические устройства, такие как сенсоры, контроллеры и актуаторы. Они обычно связаны через беспроводные или проводные сети с уровнем сети и передают данные и управляющие команды.

2. Уровень сети (Network layer) - на этом уровне происходит передача данных и команд между устройствами. Он включает в себя сетевые протоколы и технологии, такие как Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, LoRaWAN и другие. Этот уровень также может содержать локальные сети, такие как умный дом, и более широкие сети, такие как умный город.

3. Уровень приложений (Application layer) - это уровень, на котором приложения и сервисы используют данные, полученные от устройств, для анализа, принятия решений и управления. Этот уровень может включать в себя облачные сервисы, которые обрабатывают данные и выдают результаты обратно в устройства IoT.

Кроме того, некоторые архитектуры IoT включают дополнительные уровни, такие как уровень безопасности, уровень аналитики и уровень управления. Эти уровни обеспечивают дополнительную функциональность для сетей IoT, такую как защиту данных, анализ данных и управление устройствами и сетями.

Сравнение сетей

Средние показатели для рассматриваемых сетей зависят от многих факторов, таких как использование антенн, мощности передачи, частоты и прочих настроек. Однако, в целом можно назвать следующие средние значения:

Проблемы и вызовы сетей

Несмотря на множество преимуществ, сети IoT также сталкиваются с рядом проблем и вызовов, которые нужно решать, чтобы обеспечить их более широкое использование. Вот некоторые из них:

1. Безопасность: с ростом количества устройств, подключенных к Интернету, возрастает вероятность кибератак и нарушения безопасности данных. Безопасность сетей IoT является критически важным аспектом, и требует разработки соответствующих мер безопасности, таких как шифрование данных и аутентификация устройств.

2. Сложность управления: управление сетями IoT может быть сложным из-за большого количества устройств, подключенных к сети, а также из-за необходимости обеспечения надежности и эффективности работы сети. Решение этой проблемы требует разработки более удобных и эффективных методов управления сетью.

3. Совместимость: существует множество различных устройств и технологий, используемых в сетях IoT, что может привести к проблеме совместимости между устройствами. Разработка стандартов и протоколов сетевого взаимодействия является важным аспектом решения этой проблемы.

4. Проблемы с энергопотреблением: многие устройства в сетях IoT работают на батарейной энергии, что может приводить к проблемам с длительностью работы устройств и потреблением энергии. Необходимо разрабатывать более эффективные способы управления энергопотреблением устройств.

5. Надежность: надежность работы сетей IoT является критически важным аспектом, особенно в тех областях, где неисправность устройства или системы может привести к серьезным последствиям. Решение этой проблемы требует разработки надежных методов тестирования и мониторинга работоспособности устройств.

Заключение

В заключение можно сказать, что сети IoT находятся в стадии быстрого развития и экспансии в различных областях промышленности и быта. Они имеют большой потенциал для улучшения эффективности, оптимизации ресурсов и улучшения качества жизни людей.
Однако, у сетей IoT есть также и свои вызовы и проблемы, связанные с безопасностью, приватностью, надежностью, стандартизацией и управлением данными. Для эффективного и безопасного использования сетей IoT важно разработать и реализовать соответствующие стандарты и регулирования.
С развитием технологий и появлением новых применений, сети IoT будут продолжать расширяться и становиться все более востребованными в различных сферах. Будущее сетей IoT связано с использованием искусственного интеллекта, беспроводных технологий связи, дополненной и виртуальной реальности, автономных систем и многое другое.

Список информационных источников

1. What is the Internet of Things, or IoT? https://www.iotforall.com/

2. Zigbee https://iot-now.com/2021/02/16/107545-why-zigbee-matters-for-future-proofed-smart-home-innovation/

3. LoRaWAN https://www.link-labs.com/blog/lora-vs-lorawan-whats-the-difference

4. LTE-M https://www.iotforall.com/resources/lte-m-nb-iot

5. Z-wave https://www.silabs.com/wireless/z-wave

6. Sigfox https://www.sigfox.com/en/sigfox-technology

7. NB-IoT https://www.gsma.com/iot/deployment-map/

8. Fibaro Home Center https://www.fibaro.com/ru/products/home-center-3/

9. ADT Pulse https://adt.systems/adt-pulse/

10. Heatit Z-TRM3 https://heatit.com/produkt/9435/heatit-z-trm3-white

11. SmartThings https://support.smartthings.com/hc/en-us/articles/204392790-Z-Wave-General-Info

12. Zipato https://www.zipato.com/wp-content/uploads/2015/09/ph-psr03-Zipato-Z-Wave-Remote-User-Manual-v1.0.pdf

13. Сравнение систем Умного Дома: Larnitech, HDL, Wirenboard, Beckhoff, Z-Wave, EasyHomePLC https://home-matic.ru/2020/07/sravnenie-sistem-umnogo-doma/

14. Birds, применение Sigfox https://www.birdz.com/en/homepage/

15. Axible, применение Sigfox https://axible.io/en/home-en/

16. Avidsen, применение Sigfox https://www.ingenio-web.it/articoli/avidsen-presenta-conceptatmod-la-prima-soluzione-domotica-con-protocolli-intercambiabili/

17. Партнёры Sigfox Russia https://partners.sigfox.com/companies

18. Применение LTE-M https://www.wirelesslogic.com/iot-technology/lte-m/

19. Применение NB-IoT https://www.topnomer.ru/blog/tekhnologiya-nb-iot-opisanie-primenenie-v-rossii.html

20. Philips-hue, применение Zigbee https://www.philips-hue.com/ru-ru/p/hue-bridge/8719514342408

21. Amazon Echo Plus, применение Zigbee https://developer.amazon.com/en-US/alexa/devices/connected-devices/development-resources/zigbee

22. SmartThings, применение Zigbee https://www.smartthings.com/partners

23. IKEA Trådfri, применение Zigbee https://habr.com/ru/company/lamptest/blog/524362/

24. Применение LoRaWAN https://ain.ua/special/smart-cities-experience/